圖1.智能混合調(diào)控策略示意圖

近日，北京理工大學(xué)光電學(xué)院付時(shí)堯教授、高春清教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種用于光場(chǎng)高維多自由度調(diào)控的智能混合策略，首次基于單一調(diào)控器件實(shí)現(xiàn)了激光波矢、相位、振幅、模場(chǎng)分布、軌道角動(dòng)量(OAM)與自旋角動(dòng)量(SAM)六個(gè)自由度的協(xié)同調(diào)控，成功構(gòu)建了高維光場(chǎng)多自由度調(diào)控新范式。以超表面作為智能混合策略載體開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成功實(shí)現(xiàn)了調(diào)控維度高達(dá)288的超高維光場(chǎng)。該研究成果以" Hybrid strategy in compact tailoring of multiple degrees-of-freedom toward high-dimensional photonics" 為題發(fā)表在Light: Science & Applications(SCI一區(qū)，IF：20.6)。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的資助，合作單位為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和清華大學(xué)，其中北京理工大學(xué)為唯一第一及通訊作者單位。論文第一作者為光電學(xué)院2023級(jí)博士研究生周詩(shī)韻，通訊作者為付時(shí)堯教授。

激光光場(chǎng)多自由的度精準(zhǔn)協(xié)同調(diào)控及維度拓展是獲得高維結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的核心，是光互聯(lián)、光存儲(chǔ)、光計(jì)算、量子信息等高維光場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的根基。然而，現(xiàn)有多自由度調(diào)控技術(shù)往往需分步，依賴龐大光學(xué)系統(tǒng)或復(fù)雜元件，難以在單一器件上同時(shí)調(diào)控多個(gè)激光自由度，且調(diào)控維度有限，成為制約高維光場(chǎng)調(diào)控集成化發(fā)展的瓶頸。如何在保證調(diào)控精度的前提下，通過單一光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)多自由度的按需協(xié)同調(diào)控，實(shí)現(xiàn)真正的高維光場(chǎng)定制，是亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)難題。

針對(duì)這一問題，付時(shí)堯、高春清教授團(tuán)隊(duì)提出了一種用于光場(chǎng)多自由度協(xié)同調(diào)控的智能混合調(diào)控策略，如圖1所示，充分挖掘不同激光自由度的最佳調(diào)控方式，將衍射理論、深度學(xué)習(xí)與幾何相位調(diào)控深度融合，實(shí)現(xiàn)了采用單一純相位光柵對(duì)波矢、相位、振幅、模場(chǎng)分布、OAM及SAM六個(gè)自由度進(jìn)行精準(zhǔn)按需協(xié)同調(diào)控，該純相位光柵的載體包括但不限于超表面、液晶聚合物等緊湊型雙折射材料器件，可在光學(xué)系統(tǒng)中“即插即用”，無需復(fù)雜校準(zhǔn)，兼容多任務(wù)場(chǎng)景，使用方式靈活。

所提出的激光光場(chǎng)智能混合調(diào)控策略的基本原理及流程如圖2所示，通過衍射理論設(shè)計(jì)相位分布，精確控制光場(chǎng)傳播方向與初始相位;利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成全息圖，高效解決多模式OAM疊加的強(qiáng)度串?dāng)_問題，進(jìn)而調(diào)控OAM、振幅和模場(chǎng)分布;最后基于光子自旋霍爾效應(yīng)，通過幾何相位調(diào)控SAM。

圖2.激光光場(chǎng)智能混合調(diào)控策略的基本原理

研究團(tuán)隊(duì)將基于智能混合調(diào)控策略優(yōu)化得到的純相位透過率函數(shù)映射在超表面中，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成功實(shí)現(xiàn)了單一超表面器件對(duì)光場(chǎng)6個(gè)自由度的協(xié)同調(diào)控。該技術(shù)最終產(chǎn)生了包含288個(gè)正交模式的超高維光場(chǎng)，其OAM譜誤差均值低至0.0036，展現(xiàn)出卓越的高維光場(chǎng)調(diào)控性能。更進(jìn)一步地，由于OAM的無窮維交特性，本研究實(shí)現(xiàn)的288維光場(chǎng)調(diào)控僅揭示了該混合智能調(diào)控策略理論潛力的一隅。在先前的研究工作中，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單衍射光學(xué)器件同時(shí)調(diào)控151個(gè)OAM模式(從-75到+75階)[Photon. Res. 12(5), 1109(2025)]，而波矢、相位、振幅等均可簡(jiǎn)單擴(kuò)展至更高維度。因此，該工作可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)千維級(jí)光場(chǎng)調(diào)控，這種擴(kuò)展能力將激發(fā)一系列前沿應(yīng)用。

圖3.6自由度288維光場(chǎng)調(diào)控的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該工作突破了高維光場(chǎng)調(diào)控的技術(shù)瓶頸，構(gòu)建了激光光場(chǎng)多自由度精準(zhǔn)協(xié)同調(diào)控的新范式，開創(chuàng)了“高維光子學(xué)”全新研究方向，為光互聯(lián)、光存儲(chǔ)、光計(jì)算、量子信息等新一代信息技術(shù)發(fā)展提供支撐。

審核編輯 黃宇